高三物理一轮复习 实验4 探究加速度与力、质量的关系课件.pptVIP

第三章牛顿运动定律 实验四探究加速度与力 质量的关系 记一记 一 实验目的 1 学会用控制变量法研究物理规律 2 探究加速度与力 质量的关系 3 掌握灵活运用图像处理问题的方法 二 实验原理控制变量法 在所研究的问题中 有两个以上的参量在发生牵连变化时 可以控制某个或某些量不变 只研究其中两个量之间的变化关系的方法 这也是物理学中研究问题时经常采用的方法 本实验中 研究的参量为f m和a 可以控制参量m一定 研究a与f的关系 也可控制参量f一定 研究a与m的关系 三 实验器材电磁打点计时器 复写纸片和纸带 一端有定滑轮的长木板 小车 小盘 低压交流电源 天平 砝码 刻度尺 导线 四 实验步骤 1 用天平测量小盘的质量m0和小车的质量m0 2 把一端附有滑轮的长木板放在实验桌上 并使滑轮伸出桌面 把打点计时器固定在长木板上远离滑轮的一端 连接好电路 3 平衡摩擦力 小车的尾部挂上纸带 纸带穿过打点计时器的限位孔 将木板无滑轮的一端稍微垫高一些 使小车的重力沿斜面向下的分力与所受摩擦力平衡 在保证小盘和砝码的质量远小于小车质量的条件下 可以近似认为小盘和砝码的总重力大小等于小车所受的合外力的大小 4 把小车停在打点计时器处 挂上小盘和砝码 先接通电源 再让小车拖着纸带在木板上下滑 打出一条纸带 5 改变小盘内砝码的个数 重复步骤 4 并多做几次 6 保持小盘内的砝码个数不变 在小车上放上砝码改变小车的质量 让小车在木板上滑动打出纸带 7 改变小车上砝码的个数 重复步骤 6 五 数据处理 1 保持小车质量不变时 计算各次小盘和砝码的重力 作为小车的合力 及对应纸带的加速度填入表 一 中 表 一 2 保持小盘内的砝码个数不变时 计算各次小车和砝码的总质量及对应纸带的加速度 填入表 二 中 表 二 六 注意事项 1 平衡摩擦力时 调节长木板形成一个合适的斜面 使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力 在平衡摩擦力时 不要把悬挂小盘的细线系在小车上 即不要给小车加任何牵引力 并要让小车拖着纸带运动 2 每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总质量远大于小盘及盘内砝码总质量的条件下打出 只有如此 小盘及盘内砝码重力才可视为小车受到的拉力 3 改变拉力和小车质量后 每次开始时小车应尽量靠近打点计时器 并应先接通电源 再放开小车 且应在小车到达滑轮前按住小车 4 作图像时 要使尽可能多的点在所作直线上 不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧 5 作图时两轴标度比例要选择适当 各量须采用国际单位 这样作图线时 坐标点间距不至于过密 误差会小些 本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力 而实际小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力 小盘和砝码的总质量越接近于小车的质量 误差越大 反之 小盘和砝码的总质量越小于小车的质量 由此引起的误差就越小 因此 满足小盘和砝码的总质量远小于小车的质量的目的就是为了减小因实验原理不完善而引起的误差 2 偶然误差摩擦力平衡不准确 质量测量不准确 计数点间距测量不准确 纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差 思一思 1 实验中 如果不平衡摩擦力会产生什么样的后果 提示 不平衡摩擦力或摩擦力平衡不够描点连线得到的直线不过原点 证明不了加速度与作用力成正比 2 做该实验时 若先放小车再接通电源会产生怎样的后果 提示 会使纸带上打不了几个点 即纸带得不到充分利用 并且刚接通时点周期不稳会产生误差 3 为什么必须使重物的质量远小于小车和砝码的总质量 提示 只有满足此条件 重物重力的大小才可视为小车受到的拉力大小 考向一实验原理及误差分析典例1 2014 新课标全国 某同学利用图甲所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图 如图乙所示 实验中小车 含发射器 的质量为200g 实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮 小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到 回答下列问题 1 根据该同学的结果 小车的加速度与钩码的质量成 填 线性 或 非线性 关系 2 由图乙可知 a m图线不经过原点 可能的原因是 3 若利用本实验装置来验证 在小车质量不变的情况下 小车的加速度与作用力成正比 的结论 并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力 则实验中应采取的改进措施是 钩码的质量应满足的条件是 解题引路 1 位移传感器在此替代了哪个仪器装置 2 小车做加速运动的动力来源是什么 提示 1 打点时计器 2 钩码对小车的拉力 尝试解题 考向二实验数据处理典例2 探究加速度与物体质量 物体受力的关系 的实验装置如图甲所示 1 在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中 打出了一条纸带如图乙所示 计时器打点的时间间隔为0 02s 从比较清晰的点起 每5个点取一个计数点 量出相邻计数点之间的距离 该小车的加速度a m s2 结果保留两位有效数字 2 平衡摩擦力后 将5个相同的砝码都放在小车上 挂上砝码盘 然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中 测量小车的加速度 小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力f的实验数据如下表 请根据实验数据在下图中作出a f的关系图像 3 小车 砝码盘和砝码组成的系统所受合力为砝码盘和砝码的总重力 而表中数据漏计了砝码盘的重力 导致合力f的测量值小于真实值 a f的图线不过原点 答案 1 0 16 0 15也算对 2 见解析 3 未计入砝码盘的重力 考向三创新实验设计典例3 2015 苏北四市调研 某实验小组利用如图甲所示的气垫导轨实验装置来探究合力一定时 物体的加速度与质量之间的关系 1 做实验时 将滑块从图所示位置由静止释放 由数字计时器 图中未画出 可读出遮光条通过光电门1 2的时间分别为 t1 t2 用刻度尺测得两个光电门中心之间的距离x 用游标卡尺测得遮光条宽度d 则滑块经过光电门1时的速度表达式v1 滑块加速度的表达式a 以上表达式均用已知字母表示 如图乙所示 若用20分度的游标卡尺测量遮光条的宽度 其读数为 mm 2 为了保持滑块所受的合力不变 可改变滑块质量m和气垫导轨右端高度h 见图甲 关于 改变滑块质量m和气垫导轨右端的高度h 的正确操作方法有 a m增大时 h增大 以保持二者乘积增大b m增大时 h减小 以保持二者乘积不变c m减小时 h增大 以保持二者乘积不变d m减小时 h减小 以保持二者乘积减小 尝试解题 2 滑块沿斜面向下运动所受合外力为mgsin mgh l 为了保持滑块所受的合力不变 m增大时 h减小 以保持二者乘积不变 或m减小时 h增大 以保持二者乘积不变 选项b c正确 高考命题常涉及的几种创新角度 一 本题创新点分析1 源于教材 本例中的实验目的及实验中用到的器材 一端带滑轮的长木板 滑块 与课本实验是相同的 利用a f图像处理实验数据的方法也是相同的 2 高于教材 本例中没有平衡摩擦力 而是用缓慢向瓶中加水的办法比较准确地测出木块的滑动摩擦力大小和细绳拉力大小 实验数据处理时 不是作木块加速度a与合力的关系图线 而是作木块加速度a与细绳拉力f的关系图线 二 本实验还可以从以下方面进行改进创新1 实验目的创新如果要测量木块与木板间的动摩擦因数 实验应如何操作 提示 长木板水平放置 木板与钩码间的细绳长些 测出钩码落地后 木块前进过程中做匀减速的加速度 由a g可得 的大小 2 实验器材的创新 1 用气垫导轨代替长木板 实验应如何操作 2 如果提供光电门 两个 该实验应如何操作 提示 1 将气垫导轨调成水平 不用再平衡摩擦力了 其他操作不变 针对训练 某同学为验证牛顿第二定律中 力与加速度 的关系 采用光电门系统来代替位移和时间测量工具 实验装置如图所示 光滑导轨水平放置 细线绕过可转动的圆形光栅连接小车与重物 重物质量远小于小车质量 挡板可以在小车到达的时候使小车停下并粘住 光电门在每次有红外线通过光栅时会记下1次信号 如图所示 圆形光栅每转过1圈将会记下10次信号 不计一切摩擦 每次都将小车由静止释放 在小车停止后 记下重物质量m 信号次数n 小车运动时间t 2 若实验后得到了下表所示的数据 试分析 运动时间t3应约为 特色专题之 常用四类物理实验思想方法 1 近似法 在探究加速度与力 质量的关系实验中 近似法是指绳对小车的拉力近似等于绳另一端连接的小盘和砝码的总重力 近似法要在小盘和砝码的总重力远小于小车的重力的情况下才能用 2 控制变量法 控制变量法是指分别研究加速度与力 加速度与质量关系时用到的方法 在实验中的具体体现是 研究加速度与力的关系时 保持小车质量不变 研究加速度与质量的关系时 保持小盘和砝码的总重力不变 例某实验小组欲以如图所示实验装置 探究加速度与物体受力和质量的关系 图中a为小车 b为装有砝码的小盘 c为一端带有定滑轮的长木板 小车通过纸带与电磁打点计时器相连 小车的质量为m1 小盘 及砝码 的质量为m2 1 下列说法正确的是 a 实验时先放开小车 再接通打点计时器的电源b 每次改变小车质量时 应重新平衡摩擦力c 本实验中应满足m2远小于m1的条件d 在用图像探究小车加速度与受力的关系时 应作a m1图像 2 实验中 得到一条打点的纸带 如图所示 已知相邻计数点间的时间间隔为t 且间距x1 x2 x3 x4 x5 x6已量出 则打点计时器打下f点时小车的瞬时速度的计算式为vf 小车加速度的计算式a 3 某同学平衡好摩擦阻力后 在保持小车质量不变的情况下 通过多次改变砝码重力 作出小车加速度a与砝码重力f的图像如图所示 若牛顿第二定律成立 重力加速度g 10m s2 则小车的质量为 kg 小盘的质量为 kg 4 实际上 在砝码的重力越来越大时 小车的加速度不能无限制地增大 将趋近于某一极限值 此极限值为 m s2 名校模题 1 广东揭阳一中 潮州金山中学2014届联考 某实验小组利用如图甲所示的装置验证牛顿第二定律 他们将拉力传感器一端与细绳相连 另一端固定在小车上 用拉力传感器及数据采集器记录小车受到的拉力f的大小 小车后面的打点计时器 通过拴在小车上的纸带 可测量小车做匀加速运动的加速度 图乙中的纸带上a b c为三个计数点 每两个计数点间还有打点计时器所打的4个点未画出 打点计时器使用的是50hz交流电源 1 由图乙 a b两点间的距离为x1 3 27cm a c两点间的距离为x2 8 00cm 小车此次运动经b点时的速度vb m s 小车的加速度a m s2 保留三位有效数字 2 要验证牛顿第二定律 除了前面提及的器材及已测出的物理量外 实验中还要使用 来测量出 2 2015 昆山高三试题调研 如图为 用dis 位移传感器 数据采集器 计算机 研究加速度和力的关系 的实验装置 2 改变所挂钩码的数量 多次重复测量 在某次实验中根据测得的多组数据可画出a f关系图线 如图所示 分析此图线的oa段可得出的实验结论是 此图线的ab段明显偏离直线 造成此误差的主要原因是 a 小车与轨道之间存在摩擦b 导轨保持了水平状态c 所挂钩码的总质量太大d 所用小车的质量太大 3 2015 荆州高三月考 在做 探究加速度和力 质量的关系 的实验中 保持小车和砝码的总质量不变 测得小车的加速度a和拉力f的数据如下表所示 1 根据表中的数据在图的坐标系上作出a f图像 解析 1 根据所给数据在所给坐标系中准确描点 作出的a f图像如图所示 4 2015 潮州模拟 某实验小组设计了如图甲所示的实验装置研究加速度和力的关系 实验装置主要部件为位移传感器的发射器和接收器 分别固定在轨道右端和小车上 通过传感器测定两者间位移变化 从而测出小车的加速度 1 在该实验中采用的方法是 保持小车的总质量不变 用钩码所受的重力作为小车所受拉力 用传感器测小车的加速度 通过改变钩码的数量 多次重复测量 可得小车运动的加速度a和所受拉力f的关系图像 该实验小组在轨道水平和倾斜的两种情况下分别做了实验 得到了两条a f图线 如图乙所示 可知在轨道右侧抬高成为斜面情况下得到的图线是 选填 2 随着钩码的数量逐渐增大 图乙中的图线明显偏离直线 造成此误差的主要原因是 a 小车与轨道之间存在摩擦b 导轨保持了水平状态c 所挂钩码的总质量太大d 所用小车的质量太大 高考真题 5 2013 天津高考 某实验小组利用下图所示的装置探究加速度与力 质量的关系 1 下列做法正确的是 填字母代号 a 调节滑轮的高度 使牵引木块的细绳与长木板保持平行b 在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时 将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上c 实验时 先放开木块再接通打点计时器的电源d 通过增减木块上的砝码改变质量时 不需要重新调节木板倾斜度 2 为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力 应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量 木块和木块上砝码的总质量 选填 远大于 远小于 或 近似等于 3 甲 乙两同学在同一实验室 各取一套如图所示的装置放在水平桌面上 木块上均不放砝码 在没有平衡摩擦力的情况下 研究加速度a与拉力f的关系 分别得到图中甲 乙两条直线 设甲 乙用的木块质量分别为m甲 m乙 甲 乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为 甲 乙 由图可知 m甲 m乙 甲 乙 选填 大于 小于 或 等于 解析 1 木块下滑时 受到重力 细线的拉力 支持力和摩擦力 要使拉力等于合力 应该使细绳与长木板平行且使重力的下滑分量mgsin 等于摩擦力 mgcos 即mgsin mgcos 其中 为木板的倾角 故平衡摩擦力时 不能悬挂砝码桶 a正确 b错误 由平衡摩擦力的公式可知两边的质量m可以消去 故改变木块上的砝码的质量时 木块及其上砝码的总重力的下滑力仍